（车辆工程专业论文）汽车发动机废气余热热电转换装置结构优化设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：l l l 遨乙日期：2 里f f ：妄：2 2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 研究生( 签名) ： 夏凯 导师( 签名) ：盔堕：日期：垄! ! ：至：望 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的发展，人们对能源需求的与日俱增，能源问题日见突出， 节能减排以及开发新能源都已经成为当前人类科学研究的重点。汽车工业需要 消耗大量的能源，且是环境污染的主要来源之一，因此汽车行业的节能减排就 显得尤为重要了。而单纯的从改善发动机性能来实现汽车的节能减排无疑这是 一个很困难的任务，我们期望于利用温差发电技术来实现发动机废气热能与电 能的转换，把废气余热转换成电能储存到蓄电池中来为汽车提供动力或电力来 源。这对于汽车的节能减排具有非常重要的意义。 在现有热电材料的限制下，要把温差发电技术广泛应用于汽车行业，那么 我们就只能从结构入手提高温差发电器的转换效率以期望其达到装车所需要的 要求。本文就是从结构入手对一种新温差发电器进行了研究，根据强化传热的 原理，对温差发电器进行了理论分析及数学建模，在这个基础上对它进行了计 算仿真和优化，寻找在现有材料限制下的，具有较大功率输出及热能转换效率 高的温差发电器结构。 本文的主要工作如下： 首先介绍了温差发电技术的发展历程，研究分析了温差发电技术的发展态 势，明确了目前国内外在这方面研究的现状，对本次研究的内容和意义分别做 了说明。然后分别对温差发电的基本原理以及当前应用于温差发电的热电材料 作了介绍，并对温差发电技术在汽车上面的应用作了可行性分析，对温差发电 器在汽车上的布置位置进行了研究。然后建立了温差发电器的数学模型，对热 电转换效率作了推导，利用a n s y s 软件对单个热电偶作了计算分析，研究了热 电偶臂长，、横截面边长s 对热电偶块输出功率、热电转换效率以及热应力的影 响，通过对热电偶结构尺寸的优化，提出了一种新结构尺寸的温差发电器。最 后分析比较了传统热电装置结构的优缺点，依据强化传热的机理提出了一种新 的热电装置结构，通过f l u e n t 软件对其做了计算分析，对流换热决定热量传递 的关键因素是速度场的变化，通过比较各个方案的速度云图得到了一种较为理 想的温差发电器结构。 关键词：废气余热，温差发电，热电模块，优化设计 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m i c ，h u m a nd e m a n df o re n e r g yi s i n c r e a s i n g e n e r g yp r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r eo b v i o u s s a v i n gs o u r c ea n d u t i l i z i n gn e we n e r g yh a v eb e c o m et h ef o c u so fh u m a ns c i e n t i f i cr e s e a r c h v e h i c l e s c o n s u m el a r g em o u n t so fe n e r g y , a n di sa l s ot h em a i ns o u r c eo fa t m o s p h e r i c p o l l u t i o ne m i s s i o n ，s ot h es a v i n gs o u r c eo ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi sv e r yi m p o r t a n t b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tf o ru st op r o m o t et h ef u e l e c o n o m yp e r f o r m a n c eb yi m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h e e n g i n e w ee x p e c tt ou s et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yt or e a l i z ee n g i n ee x h a u s tt h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o nw h i c hc a nb eu s e db y e l e c t r i c a la p p l i a n c e si nt h ev e h i c l e so rb et h ee l e c t r i cp o w e rs o u r c eo ft h eh y b r i d v e h i c l e s i tm a k ev e r yi m p o r t a n ts e n s ef o rt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o n r e d u c t i o no ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y t h er e s t r i c t i o n so ne x i s t i n gt h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l st ot h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l ei n d u s t r y i tm u s th a v eal a r g et h e r m o e l e c t r i c p o w e ro u t p u ta n dh i g he n e r g yd e n s i t y t h i sa r t i c l es t u d i e sf r o mt h es t r u c t u r eo ft h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，a n u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rh a sb e e nd i s c u s s e d ，s u c h a s ，v i r t u a ls t r u c t u r ed e s i g n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，n u m e r i c a la n a l y s i so f f l o wa n dh e a t t r a n s f e r , ，a n ds oo n t h i sp a p e rh a sp r e c e d e dm a i n l ys t e p sa sf o l l o w s ： f i r s t ，i n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo ft h e r m o e l e c t r i c i t y , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa n d f u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n s e x p l a i nt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e a n i n g a n dt h e n i n t r o d u c e dt h eb a s i c p r i n c i p l e o f t h e r m o e l e c t r i c i t y a n dt h em a t e r i a l so f t h e r m o e l e c t r i c i t y a n dg i v i n gaf e a s i b i l i t ya n a l y s i so nt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yu s i n gi na u t o m o b i l ei n d u s t r y e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e t h e r m o e l e c t r i c g e n e r a t i o n , d e r i v e d t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h e r m o e l e c t r i c g e n e r a t i o n ，u s i n ga n s y ss o f t w a r ec a l c u l a t i o na n a l y s i sas i n g l et h e r m o c o u p l e t h e s e n s i t i v i t yo ft h e r m o e l e c t r i cp e r f o r m a n c ec a u s e db yc o n t a c tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi s a n a l y z e d ，a n dt h ea r ml e n g t hl , c r o s s s e c t i o n a la r e as i d el e n g t hsd e p e n d e n c eo nt h e o u t p u tp o w e r ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h e r m a ls t r e s so ft h en u i c o u p l ei ss t u d i e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h e nan e wt y p eo ft h e r m o e l e c t r i cm o d u l ei sp r o p o s e db yo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r a l s i z eo ft h en u i c o u p l e t h ee n d a n a l y s e s a n dc o m p a r e st h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h es t r u c t u r eo ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dt h e nan e w t y p eo ft h e r m o e l e c t r i cm o d u l ei sp r o p o s e d c a l c u l a t ea n da n a l y s i si tt h r o u g ht ot h ef l u e n ts o f ts o f t w a r e ，t h ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rd e c i d e dt oh e a tt r a n s f e rs p e e di st h ek e ye l e m e n to fc h a n g e si nt h ef i e l d ，b y c o m p a r i n gt h es p e e do fe a c hs c h e m ec o n v e c t i v eam o r ei d e a ls t r u c t u r eo ft h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n k e y w o r d s ：e x h a u s tw a s t eh e a t ，t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ，t h e r m o e l e c t r i cm o d u l e ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i l l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。il 目录iv 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 温差发电的发展历程2 1 3 温差发电技术的发展态势4 1 3 1 国内外温差发电技术的研究现状4 1 3 2 国内外研究成果6 1 4 本论文的研究内容及意义8 第2 章温差发电的工作原理10 2 1 温差发电的基本原理1 0 2 1 1 塞贝克效应1 0 2 1 2 珀尔贴效应1 l 2 1 3 汤姆逊效应1 2 2 1 4 焦耳效应1 3 2 1 5 傅里叶效应1 3 2 1 6 开尔文关系式1 3 2 2 汽车上的温差发电技术1 4 2 3 温差发电的半导体材料1 5 2 3 1 半导体温差发电材料1 5 2 3 2 氧化物温差电材料1 6 2 3 3 s k u t t e r u d i t e 类温差电材料1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章温差发电组件的基本理论框架18 3 1 温差发电组件的基本理论框架1 8 3 2 热电模块温差发电模型1 9 3 3 热电转换效率2 3 3 4 温差发电模型单个热电模块的布置2 5 3 5 h z - 2 0 型热电模块温差发电系统2 6 ( 1 ) 热电模块h z 一2 0 的实验拟合数据2 6 ( 2 ) 陶瓷片的实验拟合数据2 7 ( 3 ) 温差发电系统模型2 7 3 6 单个热电偶的计算分析2 8 3 6 1 a n s y s 软件介绍2 8 3 6 2 建模以及参数设置2 9 3 6 3 结果分析3 1 3 7 本章小结3 6 第4 章温差发电装置结构分析3 7 i v 武汉理工大学硕上学位论文 4 1 传统的温差发电器结构3 7 4 1 1 平铺式温差发电器结构3 7 4 1 2 圆桶式温差发电器结构3 8 4 1 3 对流换热介绍3 9 4 2 发动机排气的能量及其利用4 0 4 3 关键技术强化传热机理分析4 0 4 3 1 扩大传热面积a 4 1 4 3 2 增大温差发电器冷热两端的平均温度差丁4 1 4 3 3 提高温差发电器的传热系数4 1 4 3 4 强化传热机理分析4 2 4 4 新型温差发电器结构及其布置位置4 3 4 4 1 新型温差发电器结构4 3 4 4 2 温差发电器的布置位置4 4 4 5 新结构的数值分析4 5 4 5 1 仿真工具介绍4 5 4 5 2 温差发电器流场的数学模型4 7 4 5 3 模型仿真与结果分析4 8 4 6 本章小结5 5 第5 章总结与展望5 6 5 1 全文总结5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 现代社会的迅猛发展使得社会对能源的需求量越来越多，让本来就非常紧 张的能源形势变得更加紧张，在一定程度上还可能限制了一些地区经济的发展。 众所周知的是，我国是一个能源大国，也是一个能源消耗大国，能源储量非常 丰富，但是由于我国是世界上人口最多的国家，同时社会经济发展迅速，再加 上对能源使用的不科学等一系列情况使得我国的剩余资源储量已经开始出现明 显不足，能源问题已经摆到了当代中国人的面前，提高全社会公民的节能意识 并且合理利用资源已经势早必行了。进入2 1 世纪后，由于社会信息化程度的不 断提高，让人们逐渐意识到了保护环境的重要性，认识到了传统的能源使用方 法的问题，更是担心现有能源出现不足对以后生活的影响，所以解决当今社会 能源问题的最佳途径是找寻能源使用效率高的、没有环境污染的新能量或是新 型能源使用方式。从另一个角度来看，全球工业化脚步的加快，大量的水泥厂、 钢铁厂、砖窑厂、石油冶炼厂、造纸厂、纺织厂等纷纷建立，在产品生产的过 程当中它们所产生并排放出来的余热及废水得到了大量增加，如果人们能够这 一部分能量加以利用，那么有理由相信它会产生非常好的社会效益和经济效益， 这样不但可以实现能源的有效利用，解决能源问题，而且还不需要任何成本便 可以产生巨大的经济效益，可谓一举多得。同理，如果把汽车废气余热所带走 的能量转换成电能并用之于汽车上，那么在一定程度可以达到减少燃油消耗， 实现节约能源的目的。所以说，只要人们能够合理利用存在于自己周边的废气 余热，就能够达到节约能源并且减少环境污染，最终造福人类的目的n 1 。温差发 电就是一种合理利用余热废热等低品位能源并将热能转换为电能的有效方式， 其具有结构简单、移动方便、坚固耐用、无运动部件、无磨损、无介质泄露、 噪音且可靠性高、使用寿命长、稳定、环保等优点，是绿色环保的发电技术3 。 因此，利用余热发电的技术已经成为节能技术研究的重点。日前，在国外温差 发电技术已经得到了广泛的研究，而在国内相关方面的研究工作则相对来说比 较少幢1 。 汽车工业在我国国民经济中占了相当高的比重，进入2 1 世纪以来汽车工业 得到迅猛发展，相应的汽车所需要的能源也与日俱增，汽车节能技术的发展备 受全国人民的关注。因此，有理由相信利用发动机余热发电是解决能源问题的 武汉理工大学硕士学位论文 一个有效途径，也是一个很好的节能途径啼1 。目前，汽车油料产生的能量的转换 效率仅仅维持在4 0 左右，也就是说燃油中有超过6 0 的能量没有得到有效利用， 被排放到大气中，而在这6 0 的能量中发动机排出的废气带走了大约总能量的 3 0 至1 u4 5 的热量，另外还有3 0 左右的能量用于冷却，这些能量绝大一部分都 是以余热的形式散发到了空气中，不可避免的浪费了大量能源，并且造成了非 常严重的空气污染。此外，大家知道汽车发动机的排气具备以下一些特点：排 气压力比较大，排气温度比较高( 在8 0 0 c 左右) 3 。如果能够把这一部分散失 到空气中的余热有效的利用起来，那么不仅可以降低能源的消耗，还会因为部 分能量没有传到热机冷源而提高汽车工作的热效率。与此同时，由于排气温度 和排气压力成正比关系，那么如果排气温度降低就会使得排气压力减小，而排 气压力减小就会降低汽车噪声，从而使得在一定程度上简化了汽车消音器结构。 从这个方面来说，利用汽车发动机废气余热温差发电可以提高汽车的整体性能。 要知道如果这样，那么在青藏高原上，汽车发动机余热装置就可以为司机朋友 们提供能量，满足他们煮饭、烧水的能量需求，在另一个方面减少他们在用餐、 饮水以及取暖所需携带的物件，减轻他们的负担。如果能够把那些散发到空气 中的能量有效的利用起来，不仅能够降低车辆能源消耗，还能减少空气污染， 还能给社会带来巨大的政治效益和经济效益哺1 。 1 2 温差发电的发展历程 温差发电现象是由1 9 世纪塞贝克发现，已经走过了一个世纪多的发展里程， 温差发电技术研究在理论和技术上取得长足的进展是在半导体热电材料广泛应 用于温差发电领域之后，在很大的程度上提高了温差发电技术的发电效率。要 想了解温差发电技术整个的发展历程，可以从以下三个发现着手： 在1 8 2 1 年，德国科学家塞贝克发现：当把两种不同导体构成的闭合回路放 到指南针附近，并对回路的一个结点加热时，指南针会发生转动1 。温差发电技 术就是在这样一个非常偶然的情况下发现诞生的，但是由于在当时电磁理论是 一个主流的理论：塞贝克受到它的影响和制约，他把上述现象产生的原理归到 了电磁理论方面，因而与温差发电错失交臂。虽然塞贝克在当时的条件下把这 个现象产生的原因归结到了电磁学方面，没有能够正确的阐述出这个现象的产 生原理，但是他仍然比较研究了非常多的材料，而其中有一些材料就是后来被 人们定义成半导体热电材料的材料。塞贝克一次不经意间的发现为后来的温差 发电技术研究奠定了坚实的基础，创造性的开辟了温差发电这一全新的科学领 2 武汉理工大学硕上学位论文 域，在温差发电技术的发展历史中写下了最重要的一笔。 在1 8 3 3 年，法国科学家珀尔帖发现：如果把两种不同的导体连接起来，当 他们之间存在电流时，他发现在俩个导体的接触点位置会发生这样一个现象， 接触点位置的一端会出现吸热的情况，而另一端则会出现放热的情况。在1 8 3 3 年到1 8 3 8 年这5 年间，许多科学家包括珀尔帖都没有正确解释这个物理现象的 产生机理，而只是把这一现象当作是一个很普通的物体表面现象。物理学家楞 次在1 8 3 8 年才第一次正确合理的阐述了这个现象发生的原理，而且还指出俩种 不同导体接触点位置的吸放热是由通过导体的电流方向控制的，在这个时候才 真正补齐了珀尔帖效应。电磁学在1 9 世纪上半叶占据了科学研究的主流方向， 当温差电现象被发现的时候，几乎所有的学者科学家都没有特别关注到这一全 新的研究领域，导致温差发电技术在非常长的一段时间里都没有得到任何发展， 这是科学研究史上的一次败笔。温差发电技术迎来大的发展机遇是在1 8 5 0 年的 时候，由于热力学取得了突破性的发展，科学研究的研究重心逐渐从电磁学研 究转到了研究能量转换上面来，并且威廉汤姆逊经过研究，在1 8 5 5 年正式发 现了塞贝克效应和珀尔帖效应之间的关系，还通过研究预测出了了另外一种温 差发电原理的存在，并且在随后的实验中对其进行了证明，这就是后来的汤姆 逊效应( t h o m s o ne f f e c t ) ，这一新的重大发现极大地促进了温差发电学和热力 学的发展。 把时间转到1 9 世纪末2 0 世纪初，德国的阿特克希( a l t e n k i r c h ) 创造性的 提出一种评价温差电材料性能的方法，即用“温差电优值”( f i g u r eo fm e r i t ) 来判断温差电材料性能的优劣，并把它定义成： z = a0 k 式中，q 是塞贝克系数，o 是电导率，k 则是热导率。 温差发电理论中三个最重要的基本理论分别是塞贝克效应、珀尔帖效应以 及汤姆逊效应。在1 9 世纪后期的一段相当长的时间里面，由于人们对热电材料 研究的眼光仅仅是局限在金属热电材料上导致温差发电理论在这一段时间里面 都没有获得任何实质性的进展，然而我们要知道绝大多数金属材料的塞贝克系 数都是非常小的，大约在1 0l lv k 左右，其所对应的发电效率就更不用谈了， 且有的金属热电材料的发电效率仅在0 1 左右。 当时问的指针拨到2 0 世纪3 0 年代的时候，由于人们发现半导体热电材料 的塞贝克系数非常高，甚至可以达到1 0 0i iv k ，它极有可能满足实际工程的需 求，所以人们在这个时候就已经把半导体热电材料当作了温差发电材料的研究 3 武汉理工大学硕士学位论文 重点。并且在1 9 4 7 年，科学家泰柯斯( t e l k s ) 制造了一台温差发电器，它的发 电效率已经可以达到5 左右了，同时，前苏联科学家约飞( i o f f e ) 提出了半导体 热电材料的温差发电理论体系，并且在实验和理论上分别完善了这一理论体系， 约飞以及他的科学研究伙伴们发现：采用两种以上的半导体热电材料所制作成 的固溶体，它可以大大的减小半导体材料的热导率与电导率的之间比值，并且 分别在在理论分析以及实验这两个方面证实了这一发现，这一现象的发现使得 温差发电技术的研究取得了突破性的进展。这一现象的发现直接导致了目前温 差发电学中所使用的主要材料( b f ，死：、p b t e 、s i g e 等) 都是由半导体热电材 料所制作成的固溶体合金。温差发电技术在多个领域中开始得到实际应用是建 立在半导体热电材料研制成功的基础上，例如在宇航空间探测器里面，其电力 来源就是采用由放射性同位素供热的温差发电器。 从2 0 世纪6 0 年代开始至今的半个多世纪里，人们经过对半导体热电材料 的不懈研究，终于在一定程度上改善了各种热电材料的温差发电性能，但总体 来说热电材料的温差发电性能并没有得到太大的提高，即温差发电技术没有得 到显著的进步，还是无法走进人们的日常生活。非常多的科学家在现有热电材 料的限制下，为了制造出能够满足人们日常需要的温差发电器，已经慢慢开始 把改进发电器的结构当做了研究重点，希望能够从优化结构方面入手进一步提 高发电器发电效率，使其能够造福人类。但是大家必须要知道的是温差发电技 术的基础是对热电材料的研究，而要想使温差发电技术取得突破性的进展，解 决问题的关键是寻找到高性能的热电材料。2 0 世纪末在纳米技术取得很大进步 以后，在热电材料的研究上人们已经进入了一个更微观的层面，开发出了一系 列的具有量子线和超品格等结构的材料，这或许就是未来热电材料研究的主流 方向吧，并且在最近科学家们研制出了一种“声子玻璃电子晶体 型热电材料 ( p g e r ) ，它综合了晶体材料和玻璃材料性能的优点。 1 3 温差发电技术的发展态势 1 3 1 国内外温差发电技术的研究现状 自从人们在1 8 2 1 年发现塞贝克效应以来，温差发电技术已经经过了接近2 0 0 的研究。但是由于一直受到热电转换效率低下以及温差发电成本偏高等条件的 限制，温差发电技术在很长的一端时间都没有得到广泛应用，而只是应用于航天 和军事等尖端科技领域之上。庆幸的是，由于高性能热电材料的发现，把温差 发电技术广泛应用在工业以及民用产业领域已经成为可能。许多发达国家都先 4 武汉理工大学硕士学位论文 后开展了相关研究，日本大力支持和发展温差发电技术，且已经把温差发电技 术作为一种能源和环境的战略技术，它们在热电陶瓷材料方面的研究技术仍然 领先世界。同样在2 0 0 3 年1 1 月1 2 日，美国能源部( d o e ) 发布了“工业废热 温差发电用先进热电材料”资助项目( 主要应用对象是利用冶金炉等工业高温 炉废热发电以降低能耗) 后，接着又在2 0 0 4 年初发布了关于开展汽车发动机余 热温差发电研究的项目。同样是在2 0 0 4 年，美国能源部( d o e ) 投资了数千万 美圆并且组织了国内十多家顶级科研机构，通过分工合作，一起启动了一个致 力于研究高效纳米半导体热电材料的项目。与此同时，美国能源部在高校也同 样进行了半导体热电材料的研究资助，比如在c l e m s o m 大学，成立了美国热电 半导体材料与器件研究中心，总投资在2 5 0 万美元左右。在2 0 0 3 年，日本政府 组织十多家单位并且投资数千万日元启动了“废热温差发电”的大型项目。同 样的，在欧洲也有超过2 0 个研究机构联合起来，进行了关于汽车发动机余热发 电方面的研究，并正在建立“纳瓦到兆瓦热电能量转换 的大型科研项目。其 中在2 0 0 2 年，以德国为主的一些国家就已经启动了“大型温差电半导体材料 与器件的研发项目”。从以上信息可以得出这么一个结论，温差发电技术得到了 各大发达国家的关注和重视。 相比较而言，我国在温差发电领域的研究才仅仅处于初步研究阶段，这和 我国的国情以及科研投入是有很大关系的，在温差发电技术研究方面，在温差 发电产品的自主创新等一些方面基本为零。不过最近一些年以来，温差发电技 术在国家的大力投入下，特别是在国家自然科学基金以及国家“8 6 3 ”研究计划 的大力支持下取得了长足的进步。在当前，我国热电材料大量存在以下一系列 缺点：热电转换效率低下、稳定性差、热电材料利用率低以及制造成本高，所 以温差发电技术在我国各行业广泛应用的唯一出路是研究新型热电材料的制备 途径、优化其制备工艺、提高热电材料性能以及降低制造成本，而要想在这方 面研究中取得突破性进展就非常需要国家连续的大量的投入资金。世界上越来 越多的国家都高度关注花大力气去研究温差发电技术是因为温差发电是一种把 余热废热等能源转换成电能的有效方式，且其没有任何污染，例如在日本，日 本人利用温差发电技术建立了一个功率达到5 0 0 w 级的关于垃圾燃烧余热的发电 示范系统，目前已经得到了非常不错的效果。在美国，同样有美国公司运用这 项技术开发了多种温差发电系统，并把它们都投入使用了。 近些年以来我国的能源问题非常突出，要实现可持续发展就必须节能降耗， 并且解决能源短缺以及能源的利用率低的问题。目前，各种工业余热、汽车废 5 武汉理工大学硕士学位论文 热等都没有得到有效利用，迫切需要发展新型能源利用技术以节约能源和提高 效率阳3 。温差发电技术具有许多优点，尤其在低品位热能利用方面具有其独特的 优势和良好的应用前景1 。温差发电技术是一种绿色技术，因为它是利用热电材 料直接把热能转换电能，期间没有任何污染产生，可以想象一下，如果使用这 项技术，人们就可以在农场，在垃圾站，在汽车上甚至是在人体上都能建立一 个小型的温差发电系统，利用人们周边的余热发电来满足人们对小功率能源的 需求。美国、日本利用这项技术开辟绿色新能源已取得了良好效果，这为我国 开发利用热电技术提供了有益借鉴对我们发展循环经济、建设节约型社会具有 重大意义一。 另外，通过调查发现我国生产的温差发电元件的性价比在世界来说都是非 常高的，具体表现在产品价格，我们生产的温差发电元件比欧美的同类型产品 便宜一半多，但是俩者的性能却没有什么大的差别，正是因为这样的原因使得 中国成为了全球最大的温差发电元件生产出口国。有理由相信在这一有利条件 之下，我国未来在温差发电技术的道路将越走越远。因此，在我国政府当前大 力倡导可持续发展策略，号召建立节约型社会这一宏观背景下，我国应大力发 展该技术，使温差发电技术的应用逐步深化发展，并尽快产业化阳1 。从以上分析 我们可以得到下面这个结论，汽车发动机废气余热温差发电技术具有非常广泛 的应用前景和市场。 1 3 2 国内外研究成果 ( 1 ) 美国科学家利用尾气发电驱动汽车1 这个方案的基本思路：通过热电效应形成电流，通过电动机驱动汽车。 通用汽车公司和俄亥俄州州立大学展开合作研究，利用汽车尾气余热与空 气之间形成的温度差，通过热电效应产生电流，同时利用电动机来给汽车提供 能源，在这样一个情况下，温差发电装置是安装在车辆排气管上的。在这个装 置里面由两种不同热电材料组成的回路中，如果它们的两个接触面之间存在有 温度差，那么这种特殊的金属电子的状态就会发生变化以致形成电流，这样一 种把热能转换成电能的现象称之为热电效应。通过这个装置，可以让一辆雪佛 兰越野车提高5 的燃油利用率提高，并且在小型车上它的节油效果将会更加明 显。 ( 2 ) 美国h _ z 技术公司 在2 0 0 1 年，康明斯公司在2 5 0 k w ( 3 3 5 h p ) 柴油机上对温差发电装置进行了 6 武汉理工大学硕士学位论文 实验研究。试验采用的是一种非常传统的温差发电装置结构圆桶式布置方 式，选用了7 2 块h z - 1 4 模块，在发电装置的冷端通过采用水冷的冷却方式，大 概产生得到了2 5 0 到2 7 0 c 的温度差。通过检测发现试验发电装置总共产生了 3 0 v l k w 的直流电，这个温差发电装置大致需要1 0 0 0 美元才能建立起来，通过 计算可以得出要想全部收回成本，按这样一个发电效率的话必须要一年半的时 间。但是不可否认的是康明斯公司的这一装置的性能非常好，不过它所获得的 总功率却不是很高。 ( 3 ) n is s a n 公司研制的温差发电器1 图1 1 图1 - 1 就是n i s s a n 公司所开发出来温差发电器，它的外形尺寸分别是长是 4 4 0 m m 、宽在1 8 0 r a m 、高是1 7 0 m m ，它的布置位置是在发动机排气管的中部；总 共采用了7 2 块热电模块，把它们铺设到发电装置的内通道的内表面上，而每块 热电模块又是由8 对热电偶组成，并且每个热电偶的直径和高度都分别是2 0 m m 和9 2 m m ，这样布置的话每个模块大致可以输出1 2 w 电能。温差发电器的冷端 采用的是水冷，这样它所能得到的温度差就更大，所能得到的最大温差为5 6 3 k 。 这个装置的最大转换效率出现在当汽车以6 0 k m h 的速度爬坡的时候，这时这一 发电器的最大转换效率在1 1 左右。 ( 4 ) 华南理工大学课题组h 1 他们通过研究分析前人所研究出的结果和理论，很新颖的提出一种崭新的 温差发电器结构。整个结构的核心是采用内置的轴向网状热模块，通过层层叠 加进一步增加装置的换热量，采用水冷冷却冷端，并且把水冷系统直接接入发 动机的冷却系统，这样做的缺点是提高了发动机的负载。当然这样做的话可以 获得比较大的温差，强化了发电装置里面各种场之间的偶合，进一步强化了传 热且充分利用了废气余热所携带的能量。 7 武汉理工大学硕士学位论文 温差发电器发动机负载的变化。现阶段的任务是在现有热电材料的限制下，寻 找最优的热电装置结构以期望得到高效率的热电转换。 本文主要的研究任务集中在尽可能的得到一种换热量更优的温差发电器结 构，具体的研究内容如下： 1 了解温差发电技术的发展历程，明确国内外的发展现状，研究温差发电 的基本理论和系统结构，对影响温差发电材料性能的几个要素进行分析，对单 个热电偶块的几何因素进行分析，确定最佳几何尺寸，为提出热电转换装置结 构打下基础： 2 认真研究温差发电的基本体系，分析传统热电装置结构的优缺点，总结 前人经验，提出一种局部创新的热电转换装置； 3 在模块性能一定的情况下面，以降低热电模块冷端温度的方式来提高温 度差是一种能提高热电转换效率的有效方式，所以寻找一种符合要求的热电装 置结构也是本文的一个最重要的任务。制定几何因素优化方案，建立热电转换 装置流场的数学模型，通过f l u e n t 对热电转换装置进行热力学传热分析，对流 场废气的速度与装置的传热系数进行分析； 4 对于对流换热，决定热量传递的关键性因素是速度场的变化，模型传热 系数提高的根本原因是流动的变化。通过对比不同方案的速度云图，我们可以 推断出性能最优的结构方案。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 清华大学课题组 清华大学则通过研究温差发电理论，研究温差发电装置结构，并依据温差 发电装置结构的特点以及其主要采用材料的性能参数，搭建了一个测试平台， 这个平台能够比较准确的测量出温差发电装置的性能。并且分别在理论和实验 上都证明了这一点，通过在这个平台上进行了实验，确实可以知道该测试平台 能够比较准确的测量出温差发电装置的性能。 此外，在此基础上，武汉理工大学目前也已经对温差发电技术进行了研究， 并搭建了一个同样能比较精确测试出温差发电装置性能的台架。 1 4 本论文的研究内容及意义 从图1 - 2 可以看出，普通汽车的能量大致需要分为4 个部分，尾气带走了 大约4 0 的能量，冷却系统消耗了3 0 左右的能量，实实在在作用于汽车上的有 用功仅仅只有2 5 左右，摩擦损耗了大概5 的能量利用效率。因此，对尾气所 带走的能量的回收再利用，具有重大的现实意义。若使用温差发电技术来回收 利用这部分能量，不仅可以给社会带来巨大的社会效益和巨大的经济效益，还 能保护我们赖以生存的地球环境。 车辆j 盂行 圄 掌 昌 网 i 、j 图卜2 汽车燃料消耗分布图 本文的主要研究内容是找出影响所提出的汽车废气余热温差发电热电转换 装置的结构因素，从结构方面入手，对热电转换装置进行优化，这只是对温差 发电结构优化设计的第一步。首先需要知道热电偶各参数之间的关系，热电偶 的优值与电极材料、电极的截面和长度有关以外，还需要了解的是如果电极的 电阻率和导热率都不同，那么它们必须要有不同的几何尺寸，只有这样才能得 到最佳的器件优值。当然在设计中还必须综合考虑温差发电器的负载以及接入 8 雷 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章温差发电的工作原理 2 1 温差发电的基本原理 当不同的热电材料俩端存在有温度差的时候，通过热电材料的特质会在材 料俩端产生电动势形成电流并且产生热电效应的现象，就被称作是温差发电。 热电效应是一个总称，一切由于电流引起的热效应和因为温差所引起的电效应 都称作是热电效应，它包含有五大基本热效应原理，并且通过这五个热效应原 理来实现热能与电能之间的转换，这五大基本热效应原理分别是塞贝克 ( s e e b e c k ) 效应、帕尔贴( p e l t i e r ) 效应、汤姆逊( t h o m s o n ) 效应、焦耳( j o u l e ) 效应以及傅立叶( f o u r i e r ) 效应n 。 2 1 1 塞贝克效应 如图2 一l 所示，a ，b 是俩种不同材料的导体，在它们所构成的回路中，如 果在俩个接触点位置出现温度( t 。，t ：) 不同的情况下，那么在a 、b 所构成的 回路中就会产生电动势。上述现象最早是由德国物理学家塞贝克发现的，所以 人们把它叫做塞贝克效应，它的出现为温差发电技术的研究奠定了坚实的理论 基础。 图2 - 1 塞贝克原理 当节点之间的温度差在一定的范围里面的时候，存在以下关系： a u = 口肋( 互一正) ( 2 一1 ) 式子中：u 是回路产生的电动势。并且只要两接头间的温差丁= 石一互在 一定的范围内的时候，上述关系式中的参数就是存在线性关系的，口一占为常数， 人们把它定义成为了两种不同热电材料导体之间的相对塞贝克系数，单位： v k ，即 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 、 一d v y 2 矛 ( 2 2 ) 在一般情况下塞贝克系数值都是很微小的，所以它的最常用的单位是 u v k ，从塞贝克效应的定义中可以得出塞贝克系数也是分正负的。所用导体a 和b 的热电特性决定塞贝克系数的数值及其正负，温差的大小和方向与塞贝克 系数的数值及其正负没有任何关系。 表2 - 1 常见材料的塞贝克系数 材料塞贝克系数( u v k ) 备注 2 6 0p b i 2 t e 3 - 2 7 0n s b 2 t e 3 1 3 3p b i 2 s e 3- 7 7n 3 8 0p p b t e - 3 2 0 n s i o 8 g e o 2 5 4 0p b 4 c2 5 0 p 2 1 2 珀尔贴效应 法国物理学家珀尔帖在1 8 3 3 年最早发现了珀尔贴效应。他发现如果这样布 置的话会出现一个奇怪的现象：当他把由两块或者是两块以上的不同热电材料 做成的导体联接在一起的时候，把它接上直流电源，在这样的情况下电偶上面 就会有电流经过同时电偶俩端还会出现能量转移，在一个接触点位置会出现放 出热量变冷的情况，而在另外一个接触点位置则会出现